基于機器視覺的液晶基板表面缺陷檢測系統(tǒng)

1、基于機器視覺的液晶基板表面缺陷檢測系統(tǒng)摘要：介紹了一種基于機器視覺的液晶玻璃基板質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)。利用分布式視覺處理技術、采用模塊化的圖像處理系統(tǒng)設計，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷的精確提取，能實現(xiàn)對缺陷的智能分類和分級，滿足了LCD液晶玻璃基板質(zhì)量在線檢測的需要。關鍵詞：機器視覺；玻璃基板；缺陷檢測LCDglasssubstratesurfacedefectInspectionSystembasedonMachineVisionAbstract：ALCDglasssubstratesurfacedefectinspectionsystembasedonmachinevisionwaspresented.Th

2、roughdesignofmodularizedimageprocessinganddistributedmachinevisiontechnology,thesystemachievedimagecharacteristicsextraction,classificationanddivisionofgrade.ThereforeitmeetqualityrequirementofsubstrateglassinLCDdisplay.Keyword:machinevision;substrateglass;defectinspection中圖分類號：TP273文獻標識碼：B0引言液晶示器在很

3、多產(chǎn)品上得到廣泛的應用，已經(jīng)逐漸取代了CRT顯示器。薄膜晶體管液晶顯示器（TFTLCD）已經(jīng)成為液晶顯示器的主流產(chǎn)品。隨著液晶顯示器件制造技術的飛速進步，也帶動了所需基板的更新?lián)Q代。在傳統(tǒng)的玻璃缺陷檢測中，通過激光掃描或多組靜態(tài)傳感器來實現(xiàn)平板玻璃缺陷的自動檢測。檢測系統(tǒng)采用缺陷分析光束圖和標準缺陷光束圖表對比而鑒別出玻璃缺陷。手工檢驗速度慢，受主觀影響大，同時受聚光燈的分辨率的影響，檢測的寬度也很狹窄,直接影響檢測速度1。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，高端產(chǎn)品（如液晶屏幕）對玻璃原板的質(zhì)量要求越來越高。TFTLCD顯示器制造工藝包括多次精密光刻，要求基板外形尺寸加工精度達到0.1mm誤差，制造

4、電路的基板表面應無任何劃傷和污點，缺陷應小于幾微米，對玻璃基板有非常嚴格的要求2。因此，要全面保證玻璃質(zhì)量，提高玻璃質(zhì)量等級，對玻璃表面質(zhì)量進行高效準確的在線實時檢測就顯得十分重要。系統(tǒng)結構本系統(tǒng)是針對1100*1300mm寬的生產(chǎn)線，采用分布式視覺系統(tǒng)，利用一個主機完成人機交互、缺陷統(tǒng)計、玻璃分級、采集信號控制、數(shù)據(jù)匯總和分析、以及實現(xiàn)對各硬件的控制；利用三臺從機安裝15塊圖像采集卡分別對各自接收到的圖像進行處理，并將實時圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。由于液晶玻璃基板生產(chǎn)線的玻璃幅寬比較寬，單臺相機無法滿足檢測要求，因此系統(tǒng)采用了多個光源、相機、采集卡、工業(yè)計算機組成的圖象采集處理部分，由這些模塊協(xié)同

5、完成圖像的采集和處理，保證對整個幅寬玻璃的100檢測。各從機和主機之間通過千兆以太網(wǎng)相連，與相機采用光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)的可靠、快速傳送，以現(xiàn)場總線的方式實現(xiàn)系統(tǒng)控制指令的傳送。15個攝像頭玻璃基板15個光源圖1系統(tǒng)結構框圖圖像采集系統(tǒng)本系統(tǒng)采用了由高速、高精度的相機和鏡頭與高亮、高穩(wěn)定、均勻的高性能照明系統(tǒng)組成的光學系統(tǒng)，保證了圖像采集的準確性和可靠性。圖像采集的光學系統(tǒng)主要有工業(yè)相機、鏡頭、光源系統(tǒng)等組成。根據(jù)系統(tǒng)對生產(chǎn)線上的液晶玻璃基板進行不間斷的全面質(zhì)量檢測的要求，我們在圖像采集系統(tǒng)設計時采用了雙線高速線掃描相機。該攝像機掃描速率達到12kHz/s,每線像素數(shù)4096。在水平方向

6、上基板傳送速度設計為250mm/s，則=250/12000r；0.02mm即在水平方向上能滿足檢測到最小20um的缺陷。在垂直方向上15個相機直線排列，基板垂直尺寸1100mm,則max蘭亙-非圭=W常蘭倍芟記宣妾=1100/(15X4096)*0.02mm即在垂直方向上能滿足檢測到最小20um的缺陷。系統(tǒng)設計中相機鏡頭采用物距為f=180的標準Nikon鏡頭，畸變小，還原性好，并可以適配各種濾鏡，控制進入鏡頭的光線，使曝光滿足系統(tǒng)檢測要求，具有大光圈可以滿足在快速運動條件下高速快門對通光量的要求。對于玻璃基板表面缺陷控制在不超過100um的質(zhì)量控制要求，本系統(tǒng)完全滿足檢測要求。光源系統(tǒng)的質(zhì)量

7、直接決定是機器視覺系統(tǒng)的圖像采集效果。根據(jù)玻璃圖像采集對照明條件的要求，光源照明系統(tǒng)需要保證采集到的圖像不失真、不變形。此外，玻璃作為一種透明物質(zhì)，反射率低，不適用常用的反射照明方式，因此我們采用透射照明。光源部分采用獨特的設計，漫射亮場照明和光束線型照明。漫射亮場照明為透射過程中的光學尺寸通道，光束線型照明為透射過程中的光學失真通道。根據(jù)波長越長，光的透射能力越強的特點，為了盡可能的增大透射光線的強度，我們采用紅光作為照明光源。而且，考慮到使用壽命，穩(wěn)定性等因素，我們選擇了波長627nm的LED作為發(fā)光體。光源設計見圖2:雙線CCD相機基板基板傳送方向光學失真通道燈箱圖2光源系統(tǒng)設計框圖光學

8、尺寸通道圖像處理算法及軟件實現(xiàn)基于機器視覺的液晶玻璃表面缺陷在線檢測系統(tǒng)，其技術要求主要是實時性、準確性和可靠性，因此相應的算法研究和軟件設計必須圍繞這些要求展開。實時性，是指檢測系統(tǒng)的采集速度能夠滿足玻璃的運行速度（即采集實時性），并且能在每幀圖像的采集時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、分析處理及結果輸出（處理實時性）。由此要求檢測算法的運行速度必須足夠快，軟件流程盡量簡潔；所謂準確性，是指檢測系統(tǒng)所采用的算法應能對所采集圖像中的不同類型缺陷在給定精度條件下都能準確檢出，并且不誤檢；所謂可靠性，則是指檢測系統(tǒng)的算法和軟件要具有魯棒性，即能長時間運行并保證得到正確結果，而軟件需要在滿足算法目標的同時

9、，具有bugs少，消耗內(nèi)存少等要求。3.1圖像處理算法目標提?。耗繕颂崛⊥瓿蓪θ毕莸臏蚀_提取。實時采集的液晶玻璃基板圖像由于受光源以及采集系統(tǒng)自身系統(tǒng)如大鏡頭的光學畸變）的影響，圖像灰度值曲線會出現(xiàn)干擾信號。因此需要對圖像進行預處理分割。采用了全局閾值3,4技術處理及信號放大，使灰度圖像背景與缺陷分割開，為圖像的特征提取做準備。如圖示5種典型缺陷處理后的灰度圖像，進行全局閾值處理后，背景灰度值為128，缺陷被很好的分割開來。粘附氣泡表面內(nèi)部包含物灰塵圖35種典型缺陷目標提取劃傷圖4系統(tǒng)軟件流程圖特征提取：在缺陷灰度圖預處理后，由于系統(tǒng)要對缺陷進行分類，以實現(xiàn)對玻璃的分級，因此要對缺陷的特征和形

10、態(tài)參數(shù)進行提取。對于液晶基板主要提取了缺陷的幾何特征、灰度特征、明暗特征、像素特征等。利用這些特征完成了對缺陷的數(shù)學描述，如缺陷的長寬、長寬比、缺陷的面積、缺陷的平均灰度、明暗對比度、填充度等。特征越完備對缺陷的描述越準確，也更有利于后續(xù)分類5。表1為圖缺陷提取的典型特征值、缺陷特征值表面內(nèi)部包含物粘附氣泡劃傷灰塵尺寸（mm）2.2060.1760.8571.3090.212長度（mm）1.8220.1680.8281.2810.2寬度（mm）1.2440.120.220.2680.07面積（mn）1.5750.0110.0980.0650.012填充度0.690.8350.5310.1820

11、.671明暗比0.69800.7130.5060長寬比1.4651.43.764.7792.85表1圖3中五種缺陷提取的特征值缺陷分類：缺陷分類是液晶玻璃基板質(zhì)量檢測系統(tǒng)的一個重要任務。通過對缺陷的分類，檢驗人員能夠準確的判斷生產(chǎn)狀態(tài)。本系統(tǒng)采用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡作為分類器，采用向后傳播算法對網(wǎng)絡進行訓練。將特征提取中獲得的特征作為網(wǎng)絡輸入層，輸出為缺陷的類型。3.2軟件實現(xiàn)為保證采集精度和處理速度，本系統(tǒng)對控制信號、圖像采集及數(shù)據(jù)處理分作兩部分，用四臺計算機完成，三臺從機安裝圖像采集卡負責圖像采集處理，一臺主機完成對系統(tǒng)的控制及負責對采集的圖像進行處理并分析和缺陷分類，判定結果。主機將接收到遠

12、程端計算機的指令以及各硬件信號狀態(tài)，隨時發(fā)出控制信號。各從機和主機采用了同步信號源和基于協(xié)議的數(shù)據(jù)校驗方式，可靠保證了數(shù)據(jù)的同步性。如圖3是整個系統(tǒng)軟件流程圖結束在軟件處理中需要處理數(shù)據(jù)量大，考慮到系統(tǒng)的可靠性，采用了雙冗余數(shù)據(jù)塊處理技術。對接收的圖像數(shù)據(jù)信息采用雙緩存，一個正常運行，一個作為后備，當接收到的實時圖像數(shù)據(jù)在當前緩沖還沒處理完時到達，將該數(shù)據(jù)存放在后備緩存區(qū)中。一方面處理算法上來不及對圖像數(shù)據(jù)進行處理時，可以丟棄一個圖像數(shù)據(jù)而并不影響后續(xù)圖像處理，避免了圖像數(shù)據(jù)的堆積和對系統(tǒng)實時性的影響，保證了處理的連續(xù)性和有效性；另一方面，可以防止圖像數(shù)據(jù)的丟失，盡可能的保證玻璃圖像都被處理，

13、方便對處理的每一步進行跟蹤。結語該系統(tǒng)在鄭州旭飛光電科技有限公司液晶玻璃基板后加工生產(chǎn)線應用。實際應用表明:系統(tǒng)能夠滿足最大15m/min的液晶玻璃基板生產(chǎn)速度的在線檢測要求；在檢測性能上，能檢出最小0.02mm的缺陷，能夠準確檢出玻璃中的氣泡、硅石、劃傷、白金析出、灰塵、粘附物等缺陷并對其智能識別，能夠?qū)崿F(xiàn)對玻璃的準確分級。實際應用也表明，相對于傳統(tǒng)玻璃檢測來說，該在線檢測系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：檢測精度高：在線檢測系統(tǒng)可檢測的缺陷最小可達到0.02mm，如果提高采集分辨率則精度可以更高；評價客觀：與人工檢測相比，在線檢測系了主觀因素，檢測結果更為準確可靠；完備的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：圖像數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)共享和管理；在線檢測系能方便的形成數(shù)據(jù)報表，能夠方便的通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)分析和管理。參考文獻：何紅波，王文軍.浮法玻璃在線檢測系統(tǒng)的設計J.黑龍江電子技術,1999,8:1-3.劉海燕，TFTLCD用玻璃基板的性能及檢測J.玻璃,2009,1:22-24FEIGINM,SN.Segmentationanddenoisingviaanadaptivethres